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刚性路面设计2020/1/17刚性路面分析与设计2设计题目广东地区拟修建一条一级公路，路基土质为含砂低液限粘土，地下水位高度约1.2m，属潮湿状态，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5000。试选择路面结构，确定混凝土面层所需厚度。2020/1/17刚性路面分析与设计3设计步骤1.依据公路技术等级，确定路面结构设计安全等级、设计基准期、目标可靠度和变异水平等级2.调查、采集和分析交通资料3.依据施工技术、管理和质量控制的预期水平，选定路面材料性能和结构尺寸的变异水平等级，依据所要求的目标可靠度，确定可靠度系数4.初拟路面结构5.面层混合料设计6.基层和垫层组成材料设计7.确定基层顶面当量回弹模量8.计算荷载、温度疲劳应力9.检验疲劳应力之和是否满足设计标准要求2020/1/17刚性路面分析与设计4设计题目广东地区拟修建一条一级公路，路基土质为含砂低液限粘土，地下水位高度约1.2m，属潮湿状态，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5000。试选择路面结构，确定混凝土面层所需厚度。2020/1/17刚性路面分析与设计5公路技术等级设计路段为一级公路公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路安全等级一级二级三级四级设计基准期/a30302020目标可靠度/%95908580目标可靠度指标1.641.281.040.84变异水平等级低低~中中中~高2020/1/17刚性路面分析与设计6设计题目广东地区拟修建一条一级公路，路基土质为含砂低液限粘土，地下水位高度约1.2m，属潮湿状态，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5000。试选择路面结构，确定混凝土面层所需厚度。2020/1/17刚性路面分析与设计7交通荷载分析设计基准期内累计轴载作用次数𝑁𝑒=𝑁𝑠×1+𝑔𝑟𝑡−1×365𝑔𝑟𝜂=5000×1+0.0530−1×3650.05×0.22=2668×104次公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17~0.22二级及二级以下公路行车道宽7m0.34~0.39行车道宽7m0.54~0.62交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne/1042000100~20003~10032020/1/17刚性路面分析与设计8初拟路面结构——面层根据交通等级、公路等级以及变异水平等级，可初步确定面层厚度交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级变异水平等级高中高中高中面层厚度/mm240~210230~220220~200≤230≤220交通等级特重重公路等级高速一级二级高速一级二级变异水平等级低中低中低中低中面层厚度/mm≥260≥250≥240270~240260~230250~220面层厚度取250mm2020/1/17刚性路面分析与设计9初拟路面结构——基层根据交通等级，初步确定基层类型和厚度交通等级适宜各交通等级的基层类型特重交通贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层重交通水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层中等或轻交通水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层基层类型厚度适宜范围/mm贫混凝土或碾压混凝土基层120~200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150~250沥青混凝土基层40~60沥青稳定碎石基层80~100级配粒料基层150~200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100~140沥青稳定碎石排水基层80~100基层选用碾压混凝土，厚度200mm2020/1/17刚性路面分析与设计10设计题目广东地区拟修建一条一级公路，路基土质为含砂低液限粘土，地下水位高度约1.2m，属潮湿状态，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5000。试选择路面结构，确定混凝土面层所需厚度。2020/1/17刚性路面分析与设计11初拟路面结构——垫层由于路基土处于潮湿状态，因此需要铺设天然沙砾垫层。取垫层厚度为150mm。垫层顶部采用防水土工布与基层隔离开。2020/1/17刚性路面分析与设计12初拟路面结构——接缝特重和重交通公路、收费广场及邻近胀缝或自由端部的3条缩缝，应采用设传力杆假缝形式。本路面设计为普通混凝土板，宽4.5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。2020/1/17刚性路面分析与设计13路面材料参数确定交通等级特重重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值/MPa5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值/MPa6.06.05.55.0弯拉强度/MPa3.54.04.55.05.5抗压强度/MPa24.229.735.841.848.4弯拉弹性模量/GPa2527293133路面所用水泥混凝土弯拉强度标准值为5MPa，弯拉弹性模量为31GPa。2020/1/17刚性路面分析与设计14路面材料参数确定天然砂砾垫层回弹模量取160MPa碾压混凝土基层按水泥稳定粒料回弹模量计算，取1500MPa材料类型回弹模量/MPa材料类型回弹模量/MPa中、粗砂80~100石灰粉煤灰稳定粒料1300~1700天然砂砾150~200水泥稳定粒料1300~1700未筛分碎石180~220沥青碎石（粗粒式）600~800级配碎砾石（垫层）200~250沥青混凝土（粗粒式）800~1200级配碎砾石（基层）250~350沥青混凝土（中粒式）1000~1400石灰土200~700多孔隙水泥碎石（水泥剂量9.5%~11%）1300~1700石灰粉煤灰土600~900多孔隙沥青碎石（沥青含量2.5%~3.5%）600~8002020/1/17刚性路面分析与设计15设计题目广东地区拟修建一条一级公路，路基土质为含砂低液限粘土，地下水位高度约1.2m，属潮湿状态，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5000。试选择路面结构，确定混凝土面层所需厚度。广东地区属公路自然区划中Ⅳ东南湿热区2020/1/17刚性路面分析与设计16路面材料参数确定土组公路自然区划ⅡⅢⅣⅤⅥ土质砂26~4340~5039~5035~6050~60粘质土25~4530~4025~4530~4530~45粉质土22~4632~5430~5027~4330~45中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围/MPa注，本设计中，路床应处于潮湿状态，但是由于并未查找到潮湿路床顶面回弹模量参考值，因此以中湿路床回弹模量参考值替代考虑到路床实际湿度为潮湿，因此取回弹模量下限值，即25MPa2020/1/17刚性路面分析与设计17基层顶面当量回弹模量基层和垫层当量回弹模量𝐸𝑥=ℎ12𝐸1+ℎ22𝐸2ℎ12+ℎ22=1502×160+2002×15001502+2002=1017.6𝑀𝑃𝑎基层和垫层当量弯曲刚度𝐷𝑥=𝐸1ℎ1312+𝐸2ℎ2312+ℎ1+ℎ2241𝐸1ℎ1+1𝐸2ℎ2−1=1500×0.2312+160×0.15312+0.2+0.152411500×0.2+1160×0.15−1=1.73𝑀𝑁∙𝑚2020/1/17刚性路面分析与设计18基层顶面当量回弹模量基层和垫层的当量厚度ℎ𝑥=12𝐷𝑥𝐸𝑥13=12×1.731017.63=0.273𝑚𝑎=6.221−1.51𝐸𝑥𝐸0−0.45=6.22×1−1.51×1017.625−0.45=4.448𝑏=1−1.44𝐸𝑥𝐸0−0.55=1−1.44×1017.625−0.55=0.8122020/1/17刚性路面分析与设计19基层顶面当量回弹模量基层顶面当量回弹模量𝐸𝑡=𝑎ℎ𝑥𝑏𝐸0𝐸𝑥𝐸03=4.448×0.2730.812×25×1017.6253=133.3𝑀𝑃𝑎普通混凝土面层相对刚度半径𝑟=0.537ℎ𝐸𝑐𝐸𝑡3=0.537×0.25×31000133.33=0.826𝑚2020/1/17刚性路面分析与设计20荷载疲劳应力计算标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力：𝜎ps=0.077𝑟0.60ℎ−2=0.077×0.8260.60×0.25−2=1.098𝑀𝑃𝑎标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力：𝜎𝑝𝑟=𝑘𝑟𝑘𝑓𝑘𝑐𝜎𝑝𝑠=0.87×2.65×1.25×1.098=3.16MPa𝑘𝑓=𝑁𝑒0.057=26.68×1060.057=2.65公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.301.251.201.102020/1/17刚性路面分析与设计21温度疲劳应力计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力𝜎𝑡𝑚=𝛼𝑐𝐸𝑐ℎ𝑇𝑔2𝐵𝑥=1×10−5×31000×0.25×922×0.59=2.10𝑀𝑃𝑎l/r=5/0.826=6.05公路自然区划Ⅱ、ⅤⅢⅣ、ⅥⅦ温度梯度Tg℃/m83~8890~9586~9293~982020/1/17刚性路面分析与设计22温度疲劳应力计算温度疲劳应力系数𝑘𝑡=𝑓𝑟𝜎𝑡𝑚𝑎𝜎𝑡𝑚𝑓𝑟𝑐−𝑏=5.02.100.841×2.105.01.323−0.058=0.497温度疲劳应力𝜎𝑡𝑟=𝑘𝑟𝜎𝑡𝑚=0.497×2.10=1.04𝑀𝑃𝑎系数公路自然区划ⅡⅢⅣⅤⅥⅦa0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.2702020/1/17刚性路面分析与设计23疲劳应力检验𝛾𝑟𝜎𝑝𝑟+𝜎𝑡𝑟=1.16×3.16+1.04=4.872𝑀𝑃𝑎≤𝑓𝑟=5.0𝑀𝑃𝑎因此，所选250mm厚普通混凝土面层能够承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。变异水平等级目标可靠度/%95908580低1.20~1.331.09~1.161.04~1.08-中1.33~1.501.16~1.231.08~1.131.04~1.07高-1.23~1.331.13~1.181.07~1.112020/1/17刚性路面分析与设计24最终设计方案该刚性路面最终设计方案为：面层：250mm厚普通混凝土，要求弯拉强度标准值5MPa；基层：200mm厚碾压混凝土；垫层：150mm厚天然砂砾；设计混凝土板宽4.5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。谢谢